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(11) | EP 1 376 078 A2 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Kraftsensor |
| (57) Es wird ein Kraftsensor, insbesondere für die Erfassung der Kräfte an einem Fahrzeugsitz,
vorgeschlagen, mit einem Trageelement zwischen einem Ober- und einem Untergestell,
in dem eine Kraftmesszelle (8;21) angeordnet ist. Das Obergestell ist der feststehende
Teil einer Schiene (1;20) zur Längs- oder Höhenverstellung und die Messzelle (8;21)
und ist innerhalb oder seitlich an der Schiene (1;20) angeordnet. Vorzugsweise enthält
die Messzelle (8;21) mindestens einen Biegebalken (9,10), der aufgrund der zu erfassenden
Krafteinwirkung eine Beeinflussung des magnetischen Feldes im Bereich eines magnetfeldempfindlichen
Sensorelementes, insbesondere ein sog. Hall-IC (14), der Messzelle (8;21) bewirkt. |
Stand der Technik
[0001] Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbesondere für die Erfassung von Kräften an einem Fahrzeugsitz, der unter Ausnutzung elektrischer oder elektromagnetischer Effekte ein elektrisches Signal abgibt, das einer auf den Kraftsensor wirkenden Druck-, Zug- oder Biegekraft entspricht, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
[0002] Auf vielen Gebieten der Mechanik werden Kraftsensoren benötigt, die auch an relativ unzugänglichen Stellen an Geräten oder Aggregaten eine genaue Bestimmung der Zugund/oder Druckkräfte ermöglichen sollen. Ein der Kraftmessung entsprechendes elektrisches Signal sollte für weitere Auswerte- oder Regelprozesse zur Verfügung stehen. Im Bereich der Automobilelektronik sind beispielsweise solche Kraftsensoren einsetzbar, wobei die bisher verwendeten Kraftsensoren meistens relativ groß sind und der Herstellungsprozess relativ teuer ist.
[0003] Für einige wichtige elektronischen Systeme im Kraftfahrzeug, wie z.B. für Gurtrückhaltesysteme wird ein kleiner und kompaktbauender Kraftsensor benötigt. Gerade an den Verbindungsstellen zwischen den Komponenten in denen sich die Kraft konzentriert, sind Kraftmessbolzen von besonderem Interesse. So wird beispielsweise für die Sitzgewichtkraftmessung und deren Verteilung, die an der Anbindung zum Sitz gemessen wird, ein Kraftsensor benötigt, der in großen Stückzahlen preiswert zu fertigen ist. Aber auch in der Fertigungs- und Qualitätsmesstechnik benötigt man zunehmend genaue, statisch messende Kraftsensoren.
[0004] Die an sich bekannten klein bauenden Sensoren basieren meistens auf dem piezoelektrischen Wandlerprinzip und sind deswegen nur dynamisch zu betreiben. Statische Kraftsensoren werden oft als Biegefedern ausgeführt, die mit Dehnmessstreifen ausgestattet sind. Diese ergeben zwar sehr präzise Kraftsensoren; sie bauen jedoch meist groß und teuer. Magnetoelastische Sensoren basieren entweder auf dem Kreuzduktor-Prinzip, das besonders für Anwendungen geeignet ist, die bei hohen Temperaturen ohne Elektronik vor Ort auskommen müssen und nur einen kleinen Bauraum benötigen, oder nach dem Torduktor-Prinzip, bei dem über zwei um 90° zueinander gedrehten mit Spulen bewickelten U-Kernen kraftabhängig die Magnetfeldverteilung berührungslos erfasst wird. Das Kreuzduktor-Prinzip hat den Nachteil, dass es nur kleine Nutzspannungen liefert, die, mit einem meist großen Offset beaufschlagt, nur schwer auswertbar sind. Außerdem können bei bewegten oder rotierenden Teilen diese Sensoren nicht oder nur mit großem zusätzlichen Aufwand eingesetzt werden. Das Torduktor-Prinzip erlaubt Kraftmessungen auch am rotierenden Teil, ist aber stark abstandssensitiv.
[0005] Für die Sitzgewichtsensierung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, besteht auch die Forderung, dass die Sitzhöhe nicht erhöht wird und außerdem ist eine Überlastforderung sehr wichtig. Aus der WO 00/16054 A1 ist ein Messaufnehmer zur Bewegungserkennung in einem Fahrzeugsitz bekannt, bei dem zwischen einem die Sitzschale umfassenden Obergestell und einem am Fahrzeugboden, gegebenenfalls auch über einen Längs- und Höhenverstellungsmechanismus befestigten Untergestell eine elastische Verformung eines Trageelements mit der Messzelle erfasst wird.
Vorteile der Erfindung
[0006] Ein Kraftsensor der eingangs beschriebenen Art, insbesondere für die Erfassung der Kräfte an einem Fahrzeugsitz, mit einem Trageelement zwischen einem Ober- und einem Untergestell, in dem eine Kraftmesszelle angeordnet ist, wird mit den erfindungsgemäßen Merkmalen des Kennzeichens des Hauptanspruchs dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass das Obergestell der feststehende Teil einer Schiene zur Längs- oder Höhenverstellung ist und das Trageelement innerhalb oder an diesem Teil der Schiene angeordnet ist.
[0007] Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Kraftmessanordnung ist dabei hauptsächlich die Anbringung des Sensors in der Schiene oder seitlich an der Schiene, wobei hiermit für den Fahrzeugsitz nur eine minimale Haltepunkterhöhung bis ca. 1 mm realisiert werden kann. Vorteilhaft bei dieser Erfindung ist auch, dass der gesamte Kraftfluss durch diese Kraftmessanordnung geführt werden kann.
[0008] Bei einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die Messzelle mindestens einen Biegebalken, der aufgrund der zu erfassenden Krafteinwirkung eine Beeinflussung des magnetischen Feldes im Bereich eines magnetfeldempfindlichen Sensorelementes der Messzelle bewirkt. Der Biegebaken kann dabei mit seinem einem Ende in einem Topf gehalten sein, der entweder am Untergestell oder an der Schiene des Obergestells befestigt ist und mit seinem jeweils anderen Ende an der Schiene des Obergestells oder am Untergestell befestigt ist.
[0009] Der Topf kann nach einer ersten Ausführungsform mittels einer Überwurfmutter und eines Befestigungswinkels am Untergestell und das andere Ende des Biegebalkens mittels eines weiteren Befestigungswinkels an der Unterseite oder an einer Seitenwand der Schiene des Obergestells befestigt sein. Alternativ kann der Topf auch mittels einer Überwurfmutter und eines weiteren Befestigungswinkels an der Unterseite oder einer Seitenwand der Schiene des Obergestells befestigt sein und das andere Ende des Biegebalkens kann mittels eines Befestigungswinkels am Untergestell befestigt werden.
[0010] Das Sensorelement besteht erfindungsgemäß bevorzugt aus einem an dem mindestens einem Biegbalken gehaltenen Hall-Element, das unter der auf die Biegbalken einwirkenden Kraft im Feld eines relativ ortsfest angeordneten Permanentmagneten auf einfache Weise auslenkbar ist.
Zeichnung
[0011] Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Kraftsensors für die Erfassung der Kräfte an einem Fahrzeugsitz werden in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt A-A (vgl. Figur 2) durch eine Schiene zur Längsverstellung eines Fahrzeugsitzes in einem Kraftfahrzeug mit einer Kraftmesszelle,
Figur 2 einen Längsschnitt durch die Kraftmesszelle nach der Figur 1 und
Figur 3 einen Querschnitt durch eine Schiene zur Längsverstellung eines Fahrzeugsitzes in einem Kraftfahrzeug mit einer seitlichen Anbringung der Kraftmesszelle.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
[0012] In Figur 1 und in Figur 2 ist eine Schiene 1 zur Längsverstellung eines hier nicht näher erläuterten Fahrzeugsitzes am Bodenbereich 2 eines Kraftfahrzeugs in verschiedenen Ansichten gezeigt. Ein erster Befestigungswinkel 3 ist dabei mit einer Bodenschraube 4 am Boden 2 befestigt und durch eine Ausnehmung des feststehenden Unterteils 5 der Schiene 1 in diese hineingeführt.
[0013] Innerhalb der Schiene 1 ist ein Topf 6 mit einer Überwurfmutter 7 an dem Befestigungswinkel 3 gehalten. Im Topf 6 ist die eigentliche Messzelle 8 untergebracht, die zwei Biegebalken 9 und 10 enthält und mit einem Ende im Topf 6 und mit dem anderen Ende über einen Schraubbolzen 11 an einem weiteren Befestigungswinkel 12 an dem Unterteil 5 der Schiene 1 gehalten ist.
[0014] Ein Sensorelement besteht aus einem Permanentmagneten 13 und einem Hall-Element 14 mit einem angeschlossenen integrierten Schaltkreis der ein von der Auslenkung der Biegebalken 9 und 10 abhängiges elektrisches Ausgangssignal liefert.
[0015] Wenn beim dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kraft vom Fahrzeugsitz auf die Schiene 1, hier insbesondere auf das Unterteil 5, gelenkt wird, so wird diese Kraft über den weiteren Befestigungswinkel 12 an der Schiene 1 auf die Biegebalken 9 und 10 geführt. Die sich durchbiegenden Biegebalken 9 und 10 führen dazu, dass sich die Lage des Permanentmagneten 13 und des Hallelements 14 zueinander verändert und somit eine im Hallelement 14 messbare Magnetfeldänderung erfolgt.
[0016] Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist im Unterschied zum vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel an einer Schiene 20 eine Kraftmesszelle 21 mittels eines Befestigungswinkels 22 seitlich an der Schiene 20 befestigt. In der Funktion entspricht dieses Ausführungsbeispiel der Ausführung nach den Figuren 1 und 2.
- einem Trageelement zwischen einem Ober- und einem Untergestell, in dem eine Kraftmesszelle (8;21) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Obergestell der feststehende Teil einer Schiene (1;20) zur Längs- oder Höhenverstellung ist und dass die Messzelle (8;21) innerhalb oder an der Schiene (1,5;20) angeordnet ist.
- die Messzelle (8;21) mindestens einen Biegebalken (9,10) enthält, der aufgrund der zu erfassenden Krafteinwirkung eine Beeinflussung des magnetischen Feldes im Bereich eines magnetfeldempfindlichen Sensorelementes (13,14) der Messzelle (8;21) bewirkt und dass
- der mindestens eine Biegebaken (9,10) mit seinem einem Ende in einem Topf (6) gehalten ist, der entweder am Untergestell oder an der Schiene (1;20) des Obergestells befestigt ist und mit seinem jeweils anderen Ende an der Schiene (1;20) des Obergestells oder am Untergestell befestigt ist.
- der Topf (6) mittels einer Überwurfmutter (7) und eines Befestigungswinkels (3) am Untergestell und das andere Ende des Biegebalkens (9,10) mittels eines weiteren Befestigungswinkels (12) an der Unterseite oder einer Seitenwand der Schiene (1;20) des Obergestells befestigt ist.
- der Topf (6) mittels einer Überwurfmutter (7) und eines weiteren Befestigungswinkels (12) an der Unterseite oder einer Seitenwand der Schiene (1;20) des Obergestells befestigt ist und das andere Ende des Biegebalkens (9;10) mittels eines Befestigungswinkels (3) am Untergestell befestigt ist.
- das Sensorelement aus einem an dem mindestens einen Biegebalken (9;10) gehaltenen Hall-Element (14) besteht, das unter der auf die Biegbalken (9;10) einwirkenden Kraft im Feld eines relativ ortsfest angeordneten Permanentmagneten (13) auslenkbar ist.
- das Hall-Element (14) mit einem angeschlossenen integrierten Schaltkreis versehen ist, der ein von der Auslenkung der Biegebalken (9,10) abhängiges elektrisches Ausgangssignal liefert.